NBIC会聚技术:中国的新机遇?

发布时间：05年09月29日

裴钢

（中科院院士中科院上海生命科学研究院院长）

如果认知科学家能够想到它；纳米科学家就能够制造它；生物科学家就能够使用它；信息科学家就能够监控它——

纳米-生物-信息-认知四大学科交叉融合所形成的会聚技术，近年来越来越受关注。本刊去年5月号曾刊发陈超等人的文章对会聚技术作了较全面介绍。今年8月20日，在2005中国科学学术年会上，中科院院士、中科院上海生命科学研究院院长裴钢先生以此为题，作了进一步阐发。为让读者对会聚技术的最新进展有进一步了解，本刊特摘要刊登此文。

“NBIC会聚技术”的概念

“会聚技术”这一术语指科学技术中四个主要领域（NBIC：纳米-生物-信息-认知）的协同与合作。目前，这四个领域都在飞速发展：（a）纳米科学与技术；（b）生物技术与生物医学，包括遗传工程学；（c）信息技术，包括先进的计算和通信技术；（d）认知科学，包括认知神经科学。

对于NBIC会聚技术，如果认知科学家能够想到它；纳米科学家就能够制造它；生物科学家就能够使用它；信息科学家就能够监控它。

NBIC会聚技术的理论基础

科学统一性的基础在于自然的统一性及对它的整体研究；而技术的融合源于科学的统一性并会促进其统一。纳米科技、生物技术、信息技术、认知科学是当前迅速发展的四个领域，每一个领域都潜力巨大。其中任何技术的两两融合、三种会聚或者四者集成，都将产生难以估量的效能。

NBIC会聚技术的现实条件

（1）以前彼此独立的科技领域界面上发生的革命性进步已为NBIC技术的融合准备了必要的手段，包括科学仪器、分析方法和全新的材料；

（2）系统学方法、数学和计算科学的发展与NBIC的研究工作相结合，使我们第一次可以从复杂、分级系统的角度理解自然和意识。

纳米水平是当前最为激动人心的前沿与热点

（1）各种技术的会聚基础是纳米尺度的物质联合和技术综合；

（2）构成物质的微粒对于源于纳米尺度的所有科学而言是最基本的。

纳米水平上的生命科学技术

（1）RNA、DNA、蛋白、其他生物大分子等及它们的各种复合物（material unit）；

（2）细胞（细胞膜、细胞器、细胞核等）及细胞间的联系（functional unit）；

（3）物质和能量代谢及信息交流（quantum unit）；

（4）可调、可控、可适应的自组装的纳米系统。

纳米水平上的认知神经科学

（1）基于电学、化学原理的神经突触；

（2）神经原连接的方式与模式；

（3）学习、记忆、脑疾病等的分子机制；

（4）意识、思维、智慧、情感的物质基础；

（5）脑功能的实时、定位、无损伤监测。

纳米水平上的信息科学技术

（1）材料、（2）硬件、（3）人机界面、（4）超微系统、（5）仿生（计算、逻辑与智能）......

会聚技术的迅速发展有望提高整个国家的生产力水平

（1）促进工作效率和学习、（2）提升个人的感知和认知能力、（3）医疗保健方面的变革、（4）提高个人和群体的效率、（5）高效的通信技术，包括大脑之间的交互作用、（6）完美的人机界面，包括用于工业和个人的神经形态工程学、（7）增强人类的防卫能力、（8）运用NBIC工具达到可持续发展、（9）改善老年人常见的体质和认知能力下降状况。

NBIC四大技术近几年的进展和突破

生物技术与信息技术的交叉、融合和互补互动

（1）生物学家用信息处理的方法观察了解生物学过程的事例不胜枚举，计算机模型可以帮助生物学家构想新的实验方法来洞察复杂的生物系统。同样，计算机科学家也正在将生物体看作非集中化新计算方法的终极模型。

（2）斯坦福大学的巴佐格罗已经可以“易如反掌地用廉价的奔腾机器小集群，把整个人类基因组保留在主存储器中”，这样就能够快速搜寻特定的与DNA序列相关的数据。

（3）就读于哈佛大学医学院的尤金·陈发明了一种能够从单个分子中直接读取DNA序列的仪器，并申请了专利和在马萨诸塞州创立了一个U.S.Genomica公司，进行这一技术的开发。

（4）麻省理工学院媒体实验室机器生物组组长布雷泽尔已经建造了有人类脸部表现的机器人，能对人的声音、动作和微笑、皱眉及扬眉等等表情作出反映，这个机器人叫“莱昂纳多”。

纳米技术与微型光电器件的研制

（1）人们要想制造出更小而功能更大的计算机，就必须依靠纳米元件。《福布斯》预测，在未来的10年中，整个芯片业都将依赖于纳米技术。到2014年，芯片中的晶体管有可能是由碳纳米管或硅纳米电线所构成；到2020年，芯片制造技术有望实现全面的技术革新。

（2）哈佛大学研究人员借助低温制造技术，用纳米导线在一块玻璃芯片上制造了最基础的集成电路——时钟振荡电路。经实验检测，他们制成的时钟振荡电路频率达到11.7兆赫，是目前用有机半导体材料制造的时钟振荡电路的20倍。

（3）英特尔公司日前宣布，在推出用90纳米工艺批量生产的新型奔腾4处理器之后，再次使用先进的65纳米工艺技术，成功制造出了包含有5亿多个晶体管、并具备全部功能的70MB静态随机存取存储器（SRAM）芯片。

（4）美国伯克利加州大学助理教授杨培东，采用发光纳米线制造成微型激光器。他还用多种半导体材料的混合物制成了单条纳米线（能作为小型发光二极管使用），制成了能作为高效热电材料的纳米线，可以将热转换成电。

（5）朗讯科技公司贝尔实验室的鲍哲南开发了一种比硅芯片价格低廉得多的有机半导体电路。她还发明了电子纸作为柔性薄型显示器。

中国的新机会?

美国《提升人类能力的会聚技术》报告认为，会聚技术有关领域的重大突破将发生在今后10!20年之内，如果决策和投资方向正确，到时候将会有所回报......

（1）NBIC会聚技术给我们描绘了这样一个前景：人类将在纳米的物质层面上重新认识和改造世界以及人类自身。人类将拥有大量的成本低廉的各种量级的传感器网络和实时信息系统，机器人和软件将实现个性化，所有的器具均由智能新型材料构成，智能系统普遍应用于企业、家庭和个人，国家也将拥有便携式战斗系统、免受攻击的数据网络和先进的情报汇总系统，国家安全大大增强。

（2）基于NBIC会聚技术的认识和应用，人类大脑的潜力将被激发出来，人的悟性、效率、创造性及准确性将大大提高。人体及感官对外界的突然变化，如事故、疾病等的感知能力变得敏感，人类将可以以原子或分子为起点来诊断和修复自身与世界，老龄人群普遍改善体能与认知上的衰退，人与人之间产生包括脑-脑交流在内的高效通讯手段，社会群体有效地改善合作效能，社会大幅度减少资源与能源的消耗，因而减少生态环境的破坏与污染，各类组织将基于快速、可靠沟通信息的新组织结构和管理原则大大提高效率，增加产出。

加强基础科学研究和学科交叉

（1）基础科学研究是NBIC会聚技术发展的基石：

例如认知科学是研究人类感知和思维信息处理过程的科学，包括从感觉的输入到复杂问题求解，从人类个体到人类社会的智能活动，以及人类智能和机器智能的性质。研究内容包括知觉、学习、记忆、推理、语言理解、注意、情感和统称为意识的高级心理现象。

（2）学科交叉是NBIC发展的必要条件：

例如认知科学涉及生物学、心理学、细胞学、脑科学、遗传学、神经科学、语言学、逻辑学、信息科学、人工智能、数学、人类学等多个领域，是多学科交叉研究发展的领域，也是当今最活跃的研究领域之一。

又如对于纳米技术来说，化学、物理学、生物学和数学等学科中的基础材料科学是必不可少的。

推进教育和科技的结合和教育改革

（1）在NBIC领域中率先推进教育和科技的结合;

（2）各级教育机构应进行重大课程改革和组织改革，使原先独立的学科能以共同原理相互融合;

（3）从中小学开始，大力加强素质教育（科学方法、理论分析、系统观点、道德伦理等）;

（4）从大一开始，全面引入NBIC的概念和基础知识;

（5）培养跨学科的复合性人才（各行业的科学家和工程师应至少掌握NBIC中的一种）。